本發(fā)明涉及運動分析、康復(fù)工程技術(shù)以及機電系統(tǒng)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種面向擾動的自適應(yīng)電刺激控制策略，具體為一種自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該研究通過采集受試者在多自由度平臺上維持平衡期間的關(guān)節(jié)角度，基于實時關(guān)節(jié)角度控制功能性電刺激(functional electrical stimulation，fes)參數(shù)實現(xiàn)面向擾動的自適應(yīng)電刺激策略，進(jìn)而使受試者維持平衡完成平衡訓(xùn)練。

背景技術(shù)：

1、卒中，又稱“中風(fēng)”，是一種急性腦血管疾病，中風(fēng)后的運動障礙主要由脊髓下行的損傷引起，這種損傷使大腦失去對四肢的控制。中風(fēng)后,患者的平衡能力會因損傷部位不同而有所差異，但通常都會出現(xiàn)肌力減弱，肌張力控制障礙，協(xié)調(diào)性差，平衡感覺以及姿勢控制能力的下降。

2、人的自身活動在使肢體的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化帶來的重心偏移時，大腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)會采取有效的姿勢控制(postural control,pc)，以確保身體重心在支持多邊形內(nèi)，維持身體的平衡，支持多邊形指的是以人的雙腳為端點形成的一個虛擬的多邊形區(qū)域，當(dāng)人站立時，為了保持身體的穩(wěn)定，身體的重心通常會被控制在雙腳之間所構(gòu)成的這個虛擬多邊形區(qū)域內(nèi)。首先大腦會通過前庭系統(tǒng)、視覺和本體感覺持續(xù)檢測身體重心的位置,以判斷身體是否處于平衡狀態(tài)，當(dāng)檢測到身體傾斜時,中樞神經(jīng)系統(tǒng)會指令相關(guān)肌肉群進(jìn)行收縮或放松,產(chǎn)生修正作用，這一過程主要通過下肢和軀干肌肉的協(xié)同收縮放松來調(diào)整身體傾斜，如腳底肌、小腿三頭肌、股四頭肌等負(fù)責(zé)細(xì)微調(diào)整和姿勢控制,軀干肌肉改變上身剛性,增加穩(wěn)定性，最后通過關(guān)節(jié)調(diào)整身體部位的重心分布，使身體重心保持在支持多邊形內(nèi)，從而使身體保持平衡。在維持平衡的整個過程中，肌肉起到了調(diào)整，提供姿勢剛性，進(jìn)行軀干姿勢控制，做出快速響動，吸收震動的作用，是平衡系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行器官，而中風(fēng)患者的肌肉力量、速度、協(xié)調(diào)性會直接影響平衡能力。

3、近幾年來，fes已經(jīng)廣泛應(yīng)用于肌肉或肌群功能的改善或恢復(fù)，并且在在卒中患者平衡康復(fù)中起到了一定的作用，尤其是在幫助卒中患者改善肌肉控制、減輕肌肉萎縮、增強平衡和協(xié)調(diào)方面。通常fes可與康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合，幫助患者進(jìn)行平衡和步態(tài)訓(xùn)練。通過刺激相關(guān)肌肉群，患者可以更好地練習(xí)站立、行走和平衡動作，或者作為便攜式裝置，使患者可以在家中進(jìn)行自助訓(xùn)練，促進(jìn)患者的康復(fù)進(jìn)度。臨床研究已經(jīng)證明功能性電刺激可以有效改善偏癱患者的運動能力和肌力。但刺激模式單一和缺少患者主動參與對功能性電刺激的進(jìn)一步應(yīng)用起到了阻礙，fes治療需要根據(jù)患者的平衡能力實時調(diào)整，所以亟需發(fā)展適應(yīng)患者平衡能力的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種面向擾動的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。將功能性電刺激與平衡任務(wù)相結(jié)合，實現(xiàn)擾動下的自適應(yīng)電刺激訓(xùn)練，改善患者肢體和軀干肌群之間的協(xié)調(diào)性，恢復(fù)肌肉以及肌群功能，為中風(fēng)患者提供更加有效的平衡康復(fù)訓(xùn)練方案。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由多自由度平臺、上位機、pid調(diào)節(jié)器以及電刺激器構(gòu)成；首先，在擾動下采集健康受試者在多自由度平臺上維持平衡的關(guān)節(jié)角度的數(shù)據(jù)生成關(guān)節(jié)角度模板；然后，通過pid算法控制調(diào)節(jié)輸出電刺激，檢測在擾動下患者實時的關(guān)節(jié)角度；最后，以患者實時的關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)角度模板的偏差作為輸入，通過pid調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電刺激參數(shù)，實現(xiàn)擾動情況下的自適應(yīng)電刺激訓(xùn)練。

3、該系統(tǒng)的方法，具體步驟如下：

4、(1)數(shù)據(jù)采集：清潔皮膚表面后，將慣性運動單元分別固定于受試者的踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)體段兩側(cè),令受試者站在多自由度平臺上，實時記錄平臺變化角度，在前后左右四個不同的傾斜方向下平臺進(jìn)行0～5°的小幅度周期擺動，受試者站在平臺上保持自身平衡，同步記錄不同擾動方向下受試者維持平衡過程中的imu信號；

5、(2)數(shù)據(jù)離線處理及模板建立

6、首先去除高頻噪聲，通過檢測靜止?fàn)顟B(tài)的靜息偏置，進(jìn)行校準(zhǔn)以消除零點漂移，然后基于靜態(tài)校準(zhǔn)建立下肢運動模型從而得到關(guān)節(jié)角度，最后標(biāo)定各段數(shù)據(jù)，從而得到不同擾動方向下的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，將同一擾動方向下的imu數(shù)據(jù)時間軸對齊，得到健康受試者的關(guān)節(jié)角度響應(yīng)模板；

7、(3)數(shù)據(jù)在線處理及電刺激控制實現(xiàn)

8、將關(guān)節(jié)角度模板輸入至上位機，患者在使用過程中，平臺變化角度通過imu實時采集至上位機，在上位機中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理方式與離線處理方式相同，得到平臺擾動下的患者實時關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，基于患者實時關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)與健康受試者的關(guān)節(jié)角度響應(yīng)模板計算得到實時偏差角度，再輸入pid控制器完成自適應(yīng)電刺激的控制；

9、(4)pid控制器實現(xiàn)自適應(yīng)電刺激控制

10、在自適應(yīng)電刺激實驗中根據(jù)健康受試者的關(guān)節(jié)角度響應(yīng)模板r(t)與患者實時關(guān)節(jié)角度y(t)構(gòu)成偏差：e(t)＝r(t)-y(t)，將關(guān)節(jié)角度偏差的比例(p)、積分(i)和微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對電刺激器進(jìn)行控制,其控制規(guī)律為：

11、

12、傳遞函數(shù)為：

13、

14、其中，u(s)為pid控制器輸出的拉普拉斯變換，e(s)為關(guān)節(jié)角度偏差的拉普拉斯變換，kp為比例系數(shù)，ti為積分時間常數(shù)，td為微分時間常數(shù)，ki＝kp/ti為積分系數(shù)，kd＝kp*td為微分系數(shù)；

15、(5)功能性電刺激參數(shù)控制

16、基于實時關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)與健康受試者的關(guān)節(jié)角度響應(yīng)模板計算得到實時偏差角度，以此作為控制量再輸入pid控制器，通過控制器實時調(diào)節(jié)電刺激fes的不同參數(shù)，包括頻率、脈沖、占空比、波升/波降、電流強度，使用低頻脈沖電流刺激失去神經(jīng)控制的肌肉，誘發(fā)肌肉運動或模擬正常的自主運動。

17、進(jìn)一步，所述功能性電刺激參數(shù)的頻率在15～50hz。

18、進(jìn)一步，所述功能性電刺激參數(shù)的脈沖波寬在100～1000us。

19、進(jìn)一步，所述功能性電刺激參數(shù)的占空比為1:1至1:3之間。

20、進(jìn)一步，所述功能性電刺激參數(shù)的波升/波降取1～2s。

21、進(jìn)一步，所述功能性電刺激參數(shù)在電流強度在0ma～100ma

22、有益效果

23、本發(fā)明運用電刺激控制技術(shù)，采集踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)imu信號，通過多自由度平臺擾動情況下患者的實時關(guān)節(jié)角度與健康人關(guān)節(jié)角度模板，實現(xiàn)基于平臺變化角度的功能性電刺激康復(fù)訓(xùn)練。該發(fā)明根據(jù)患者平衡能力自動調(diào)整刺激方式，無需依賴患者，在幫助患者進(jìn)行平衡訓(xùn)練的同時又促進(jìn)患者肌肉功能的恢復(fù)，從而使患者獲得更好的康復(fù)效果。

技術(shù)特征：

1.自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)主要由多自由度平臺、上位機、pid調(diào)節(jié)器以及電刺激器構(gòu)成；首先，在擾動下采集健康受試者在多自由度平臺上維持平衡的關(guān)節(jié)角度的數(shù)據(jù)生成關(guān)節(jié)角度模板；然后，通過pid算法控制調(diào)節(jié)輸出電刺激，檢測在擾動下患者實時的關(guān)節(jié)角度；最后，以患者實時的關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)角度模板的偏差作為輸入，通過pid調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電刺激參數(shù)，實現(xiàn)擾動情況下的自適應(yīng)電刺激訓(xùn)練。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，具體步驟如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述功能性電刺激參數(shù)的頻率在15～50hz。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述功能性電刺激參數(shù)的脈沖波寬在100～1000us。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述功能性電刺激參數(shù)的占空比為1:1至1:3之間。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述功能性電刺激參數(shù)的波升/波降取1～2s。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述功能性電刺激參數(shù)在電流強度在0ma～100ma。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于康復(fù)醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，公開一種自適應(yīng)電刺激平衡康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。本發(fā)明通過采集受試者在多自由度平臺上維持平衡期間的關(guān)節(jié)角度，基于實時關(guān)節(jié)角度控制功能性電刺激FES參數(shù)實現(xiàn)面向擾動的自適應(yīng)電刺激?；诨颊叩年P(guān)節(jié)角度實現(xiàn)自適應(yīng)電刺激策略，進(jìn)而幫助患者維持平衡，為中風(fēng)患者的康復(fù)治療提供簡單有效的幫助。由于該技術(shù)效果明確，為患者的個性化及主動康復(fù)治療提供了技術(shù)方案。

技術(shù)研發(fā)人員：徐瑞,白宇,明東,王維豪,王紫堯,孟琳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/4/22

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